过孔(via)是多层PCB的重要组成部分之一,钻孔的费用通常占PCb制板费用的30到 9 V* W- y% `0 n5 Z* u5 A
40.简单的说来,PCB上的每一个孔都可以称之为过孔.从作用上看,过孔可以分成两类:
$ q7 D" y0 o' ]. V' d# c一是用作各层间的电气连接;二是用作器件的固定或定位.如果从工艺制程上来说,这些过 4 j" @7 u) U" V- P2 j4 h( T( E6 G" L: _# s
孔一般又分为三类,即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via).盲孔位 4 a8 X+ ]" q& p0 `9 f. L
于印刷线路板的顶层和底层表面,具有一定深度,用于表层线路和下面的内层线路的连接, ' N% o) y! O1 J7 e; Z
孔的深度通常不超过一定的比率(孔径).埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔,它不会延
1 q' n' Q1 y* {1 U6 g* {/ ]2 G伸到线路板的表面.上述两类孔都位于线路板的内层,层压前利用通孔成型工艺完成,在过 3 |9 }- h2 V+ I0 R( n! V& U
孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层.第三种称为通孔,这种孔穿过整个线路板,可用 / S( Y, _7 o* X2 \) {, M
于实现内部互连或作为元件的安装定位孔.由于通孔在工艺上更易于实现,成本较低,所以 4 [$ j# Y6 N: \6 ~, _* X
绝大部分印刷电路板均使用它,而不用另外两种过孔.以下所说的过孔,没有特殊说明的,
9 m' N/ ], D- ^4 z均作为通孔考虑.
( S6 e3 i* y! Q: U$ r从设计的角度来看,一个过孔主要由两个部分组成,一是中间的钻孔(drill hole),二是
^# ]+ e% p* i7 [钻孔周围的焊盘区,见下图.这两部分的尺寸大小决定了过孔的大小.很显然,在高速,高 * k' m" b# o; M
密度的pcb设计时,设计者总是希望过孔越小越好,这样板上可以留有更多的布线空间,此
6 a# j! o4 C& g7 Q( G9 W外,过孔越小,其自身的寄生电容也越小,更适合用于高速电路.但孔尺寸的减小同时带来 1 c8 Y$ [* |1 c/ h- P/ G8 j7 c
了成本的增加,而且过孔的尺寸不可能无限制的减小,它受到钻孔(drill)和电镀
% x' f/ @, }. ]% _! Q7 K$ ~(plating)等工艺技术的限制:孔越小,钻孔需花费的时间越长,也越容易偏离中心位 ' P- g- u) T& ^! k- p
置;且当孔的深度超过钻孔直径的6倍时,就无法保证孔壁能均匀镀铜.比如,现在正常的 / E3 [9 D1 `6 q: U2 `- Z
一块6层PCB板的厚度(通孔深度)为50Mil左右,所以PCB厂家能提供的钻孔直径最小只能达
$ C% W0 |1 V" F- s到8Mil.9 {7 h! v! Q; w$ k
$ Q2 i6 |3 @1 m0 R& [, J6 Y二、过孔的寄生电容
5 W! \* ], a& \* y* }过孔本身存在着对地的寄生电容,如果已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2,过孔焊盘的
; i( V6 {1 z+ T直径为D1,PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于:
! H3 L# p! v2 cC=1.41εTD1/(D2-D1)
8 g% K$ Y, j) _ y过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间,降低了电路的速度.举 9 l# f1 W/ k W! y( |" G) s
例来说,对于一块厚度为50Mil的PCB板,如果使用内径为10Mil,焊盘直径为20Mil的过孔,
/ X. C" R, M# ?. `; m焊盘与地铺铜区的距离为32Mil,则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致
7 x3 G& Z* C3 b* `; K是:C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF,这部分电容引起的上升时间变化量 / g/ B9 E6 K% r7 F. N! O& P+ P9 X7 Y( [
为:T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps .从这些数值可以看出,尽管单个过
' |" ~. L1 p; T2 l/ M q$ m" C孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显,但是如果走线中多次使用过孔进行层间
: l7 [$ W( E( H" T; }' a的切换,设计者还是要慎重考虑的.0 v7 ?9 D* B" U6 t" s* \: s+ |8 V
) ]+ Z4 C& M( X2 _% h! X三、过孔的寄生电感 1 p7 Y; ^$ S y
同样,过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感,在高速数字电路的设计中,过孔的寄生
! z/ {/ X! W5 C% u电感带来的危害往往大于寄生电容的影响.它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献,减弱
! k5 K* [% v' c" b& D整个电源系统的滤波效用.我们可以用下面的公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感:
% C% @* ]2 U. B3 W2 K3 O9 {/ }L=5.08h[ln(4h/d) 1]其中L指过孔的电感,h是过孔的长度,d是中心钻孔的直径.从式中可 * R4 F& c% z* h* ]0 Q
以看出,过孔的直径对电感的影响较小,而对电感影响最大的是过孔的长度.仍然采用上面
2 z0 f; R- c! T4 K( W( w9 m的例子,可以计算出过孔的电感为 =5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010) 1]=1.015nH .如果 1 Q( E k" N# O: X0 t Z: n1 S
信号的上升时间是1ns,那么其等效阻抗大小为:XL=πL/T10-90=3.19Ω.这样的阻抗在有高 0 {$ c$ h2 l% ?' V* y2 p1 S
频电流的通过已经不能够被忽略,特别要注意,旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通 2 j0 U' a! w+ ~7 w
过两个过孔,这样过孔的寄生电感就会成倍增加.
* H! b' t" g% L& O; }" H3 _
! g; Q7 N- ^, l# C! F$ r- q四、高速PCB中的过孔设计 / i7 b! v! q/ ^6 F' [* C7 H, I
通过上面对过孔寄生特性的分析,我们可以看到,在高速PCB设计中,看似简单的过
) o" H" ^5 }/ i; U3 W9 N* B2 R8 i9 C孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应.为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响,
1 u2 s* b7 w( ~3 c) _在设计中可以尽量做到: * S1 E7 y4 T. ~! _: q! j
1、从成本和信号质量两方面考虑,选择合理尺寸的过孔大小.比如对6-10层的内
, w, g& n, a& C存模块PCB设计来说,选用10/20Mil(钻孔/焊盘)的过孔较好,对于一些高密度的小尺寸的
/ U9 W1 S* b& I- B, H( ^- I板子,也可以尝试使用8/18Mil的过孔.目前技术条件下,很难使用更小尺寸的过孔了.对 ) [2 O5 C+ |9 L( A6 p0 `4 ^
于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸,以减小阻抗.
' P6 Q# o4 F& ?! }% S6 _2、上面讨论的两个公式可以得出,使用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄
! U: k' Y# {9 {) [1 k& e4 t" s生参数. , }- B; y' i% \0 ?
3、PCB板上的信号走线尽量不换层,也就是说尽量不要使用不必要的过孔.
; W2 ]3 i E+ `7 D+ n; M! m) X4、电源和地的管脚要就近打过孔,过孔和管脚之间的引线越短越好,因为它们会
3 L4 A& b0 _4 i/ J/ |# t导致电感的增加.同时电源和地的引线要尽可能粗,以减少阻抗.
+ c+ ~$ i) u/ O$ n! z5、在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔,以便为信号提供最近的回路.甚至可以在
* U" ^7 m! m8 b SPCB板上大量放置一些多余的接地过孔.当然,在设计时还需要灵活多变.前面讨论的过孔 1 O! \) V8 H/ U* N) D4 E
模型是每层均有焊盘的情况,也有的时候,我们可以将某些层的焊盘减小甚至去掉.特别是 & ^ _9 }1 k4 W8 Q! v N% _
在过孔密度非常大的情况下,可能会导致在铺铜层形成一个隔断回路的断槽,解决这样的问
t1 @/ O3 |. }1 {* `题除了移动过孔的位置,我们还可以考虑将过孔在该铺铜层的焊盘尺寸减小.' f$ ~ v; ~* `6 K/ o Z
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